BL20A0500 Sähkönjakelutekniikka. Johdanto Jarmo Partanen

BL20A0500 Sähkönjakelutekniikka Johdanto Jarmo Partanen

BL20A0500 Sähkönjakelutekniikka, 8.0 op Luennot: Prof. Jarmo Partanen, vko 44-49 ja 9-8, ma 10-12 ja ti 16-18, sali 6323 Harjoitukset: TkT Jukka Lassila LUENTOAIHEET JA AIKATAULU Sähkönjakeluverkkotoiminta; tekniikka, tavoitteet, 27.10 Sähkönjakeluverkkojen laskenta; talous, sähkötekniikka, luotettavuus, 28.10, 3.11 Sähkönjakeluverkkojen strateginen suunnittelu, 4.11, 10.11 Sähköasemien ja keskijänniteverkon rakenteet ja suunnittelu, 17.11, 18.11 Jakelumuuntamoiden ja pienjänniteverkkojen rakenteet ja suunnittelu, 19.11 Sähkönjakeluverkkojen suojaus, 12.1, 13.1 Sähkönjakeluverkkojen käyttötoiminta, 19.1 Sähkönjakeluautomaatio, 20.1 Smart Grids, 26.1, 2.2 Ajankohtaisia teemoja, 3.2 Teollisuusverkkojen erityispiirteet ja kertaus, 9.2 23.10.2014 3

Sähkölaitostoiminnan historiaa Suppea katuvalaistus Pariisissa 1881 Lamppunäyttely Pariisissa 1882 Finlaysonin kutomon sähkövalo 1888 Tampereen kaupungin sähkölaitos 1889 Oulun kaupungin sähkölaitos 1890 1920 Taajamiin sähkölaitoksia 1910 1939 Pieniä osuuskuntia tms. 1946 1950 Itä- ja Pohjois-Suomen suuret sähkölaitokset 1960 - Sähkölaitosfuusiot 1980 Sähkölaitossuunnittelualueet 1995 Sähkömarkkinoiden vapautuminen alkoi 1998 Asiakkaat voivat valita sähkönmyyjän 23.10.2014 4

Sähkönjakelutekniikka Alueverkot 110 kv Sähköasemat 110/20 kv (110/10 kv) Keskijänniteverkko 20 kv (10 kv) Jakelumuuntajat 20/0,4 kv Pienjänniteverkko 1.0, 0.4 kv Teollisuusverkot 20, 10, 6, 3, 0,6, 0,5, 0,4 kv Sähkönjakeluverkko säteittäisesti käytettävä paljon solmuja pienet yksikkökustannukset paljon samanlaisia suunnittelu- ja rakentamistehtäviä case periaate laskennan lähtötietoja paljon ja niistä osa on puuttellisia 23.10.2014 5

Background 400 V 110/20 kv Primary substation (10...30 MVA) 20 kv Network structure in rural areas: Mostly overhead lines (400 V, 20 kv, 110 kv), 3-phase system at all voltage levels Feeders, in Finland: Total 350 000 km of distribution lines: 20 kv 400 V 400 V low voltage (62 %) and 20 kv medium voltage (38 %) lines MV (20 kv): 30-50 km/feeder LV (400 V): 116 m/customer 6

Sähkönjakeluyhtiöiden omistus Suomessa Elenia Caruna Loiste 80 verkonhaltijaa 10 suurinta asiakasmäärän mukaan: Caruna Oy 403374 Helsingin Energia 318 695 Elenia Oy 183 464 Caruna Espoo Oy 119 560 Tampereen Sähkölaitos 117 976 Uudenmaan Sähköverkko Oy 109 447 Savon Voima Oy 99 562 Järvi-Suomen Energia Oy 88 213 Vantaan Energia Oy 84 760 Pohjois-Karjalan Sähkö Oy 80 177 7

Jakeluverkko verrattuna siirtoverkkoon Lähellä ihmistä Pienemmät keskeytyskustannukset Tarkkailu vähäisempää Investointi/siirtoteho suuri Kuormitusvaihtelut suuremmat Resistanssi/reaktanssi jopa yli yhden Käyttö säteittäinen Taajamissa kaapelointi yleistä Isompi asiakas- ja solmupistemäärä johtolähtöä kohti 23.10.2014 8

Tyypillisiä käytäntöjä Taajama Haja-asutusalue kuormitustiheys yli 5 MW/km² alle 100 kw/km² asiakkaita muuntopiirissä 50... 500 1... 5 pienjännitejohto alle 300 m alle 1000 m johtolaji maakaapeli yleensä ilmajohto johdon poikkipinta-ala 120... 400 mm² 16... 70 mm² jakelumuuntaja 300... 1250 kva 16... 50 kva verkkomuoto 20 kv silmukoitu renkaita ja säteittäishaaroja 0,4 kv renkaita ja säteittäishaaroja säteittäinen 23.10.2014 9

110/20 kv sähköasema 110 kv kytkinkenttä Päämuuntaja, 1-3 kpl, S n = 10 40 MVA, jännitteensäätö 20 kv kiskosto yksikiskojärjestelmä kiskoapukiskojärjestelmä kaksikiskojärjestelmä kaksoiskiskojärjestelmä (rinnakkaiskuristin joskus teollisuusverkossa) 20 kv johtolähdöt (kennot) katkaisija erottimet virtamuuntajat; mittaus, suojaus, nollavirta suojareleet; oikosulku, maasulku, jälleenkytkentä Jännitemittauskenno mittaus suojaus, nollajännite, avokolmiokytkentä Apusähköjärjestelmä - akusto 23.10.2014 10

110/20 kv sähköasema Kiskojärjestelmät yksikiskojärjestelmä käyttöä ei voida jakaa katkaisijaa ei voi ohikytkeä K1 K2 kiskoapukiskojärjestelmä käyttöa ei voida jakaa PM1 25 MVA PM2 16 MVA katkaisijat voidaan ohikytkeä melko yleisesti käytössä kaksikiskojärjestelmä käyttö on jaettavissa kisko voidaan huoltaa katkaisijan korvaus kiskokatkaisijalla duplex-järjestelmä käyttö yleensä kaksikiskojärjestelmässä vaunukatkaisijasovitteet 23.10.2014 11

Keskijänniteverkko (20, 10 kv) 1) City company - 16 000 customers - 112 km 20 kv - Peak power 45 MW - Cabling rate 72 % MARTINKYLÄ 110/20 kv 2) Rural area company - 11 000 customers - 430 km of 20 kv network - Peak power 50 MW - Cabling rate 12 % 20/0.4 kv distribution substation (300 1000 kva) 110/20 kv MASSBY 110/20 kv 20/0.4 kv distribution substation (30 200 kva) KALLBÄCK 450 000 400 000 20 kv underground cable Finnish distribution companies 110/20 kv LANDBO Number of customers 350 000 300 000 250 000 200 000 150 000 100 000 50 000 0 (total number 91) 1) 2) 10 miles 20 kv overhead line 12

Keskijänniteverkko (20, 10 kv) 110/20 kv Control room automation (SCADA, GIS, automatic fault location and separation ) Substation automation (110/20 kv) Manual 20 kv disconnector Remotecontrolled 20 kv disconnector NEED FOR.. 20 kv feeder (65 km) - several branch lines - some rings yet radially operated 2 miles Pole-mounted switchgear (reclosers) 13

Keskijänniteverkko (1/2) 3-vaiheinen, 20 kv, 10 kv Silmukoitu, käytetään säteittäisenä erottimet, osassa kauko-ohjaus korvausmahdollisuudet vikatilanteissa Maasta erotettu tai sammutettu (keskitetty, hajautettu) Suojaus releillä + katkaisijoilla Tyypillinen siirtomatka 20 30 km (Lapissa jopa 100 km) Tyypillinen siirtoteho muutamia megawatteja Ilmajohdot teräsalumiinijohtimet 25 201 mm 2 hinta 18 29 k /km 23.10.2014 14

Keskijänniteverkko (2/2) Päällystetyt ilmajohdot, PAS-johdot ohut eristys pinnassa - ei täyttä jännitekestoisuutta kapeampi linjakatu, 2- ja 3-johdot 20 30 % kalliimpi kuin vastaava avojohto Suurjänniteilmakaapeli SAXKA - vähän käytetty Maakaapelit täysi eristyskyky, muovikaapelit poikkipinnat 120 240 mm 2 hinta 30 50 k /km kaivuolosuhteista riippuen käyttö lisääntyy myös maaseutumaisissa verkoissa 23.10.2014 15

Pienjänniteverkko (400 V, 3-vaiheinen) 110/20 kv = 20/0.4 kv distribution substation MARTINKYLÄ 20 kv 20 kv MASSBY 400 V 400 V KALLBÄCK LANDBO 20 kv 400 V 20 kv medium voltage network 400 V 1 mile (1.6 km) 16

Jakelumuuntamo 20 kv verkon ja muuntajan välissä yleensä erotin Muuntamorakenne + muuntaja ilmajohdoissa pylväsmuuntamo, 1- tai 2-pylväsrakenne kaapeliverkoissa puisto- tai kiinteistömuuntamo Pj-keskus pylväsmuuntamossa pylväsvarokekotelot puistomuuntamossa oikea keskus Muuntajan runko on suojamaadoitettu 23.10.2014 17

Pienjänniteverkko, 0.4 kv Yleensä 3-vaiheinen, nollajohdin käyttömaadoitettu Säteittäinen, yleensä vähän varayhteyksiä AMKA-johdot ilmajohtoverkossa 16 120 mm 2, 15 20 k /km Muovikaapelit kaapeliverkossa käytetään aurausta, jos mahdollista 35 240 mm 2, 15 35 k /km jakokaapit Sulakesuojaus; ylikuormitus-, oikosulku- ja turvallisuussuojaus Suoja- ja käyttömaadoitukset useasti yhdistetty 23.10.2014 18

Pohjoisamerikkalaista käytäntöä Sähköasema (SJ/KJ) SJ/KJ muuntaja Nollajohdin Katkaisija Haarajohto Sulakkeet Jälleenkytkennällä varustettu katkaisija Jakelumuuntamo (KJ/PJ) Automatisoitu erotin Pohjoisamerikkalainen jakelumuuntaja Keskijännitejohto Runkojohto: kolme vaihetta + nollajohdin Haarajohto: yksi, kaksi vai kolme vaihetta + nollajohdin KJ PJ PJ 23.10.2014 19

Ulkomaisia käytäntöjä a) b) c) Kuva 2.4 Kojeliityntöjen eri käytäntöjä, a) Eurooppa b) USA ja Japani c) Iso-Britannia 23.10.2014 20

MV-lines in Canada, 11 kv 1-phase 11 kv line 23.10.2014

MV-lines in Canada, 11 kv Fuse 1-phase transformer Neutral conductor 23.10.2014

MV-lines in Canada, 11 kv Fuses 3-phase transformer 23.10.2014

Sähkönjakelujohtojen määrääviä mitoitustekijöitä Jännitteenalenema pitkät 20 kv ja 0.4 kv avojohdot Häviöt 20 kv runkojohdot ilmajohtoverkossa Lämpeneminen runkojohdot 20 kv ja 0,4 kv kaapeliverkoissa Oikosulkuvirta ohuet haarajohdot syöttöpisteen lähellä Vikavirtasuojauksen nopea toiminta pitkät vähäkuormaiset 0.4 kv johdot 23.10.2014 24